8.7: 激光
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- 描述产生激光所需的物理过程
- 解释相干光和非相干光之间的区别
- 描述激光在 CD 和蓝光播放器中的应用
激光是发出相干和单色光的设备。 如果构成光的光子是同相的，则光是相干的；如果光子具有单频率（颜色），则光是单色的。 当激光器中的气体吸收辐射时，电子会被提升到不同的能量水平。 大多数电子会立即恢复到基态，但其他电子则停留在所谓的亚稳态中。 有可能将这些原子中的大多数置于亚稳态状态，这种情况称为种群反转。
当能量光子干扰处于亚稳态的电子时（图\(\PageIndex{1}\)），电子会降至较低的能量水平并发射一个加法光子，两个光子一起离开。 这个过程称为受激发射。 当入射光子的能量等于电子的激发和 “去激发” 能级之间的能量差时，发生这种情况的可能性相对较高（\(\Delta E = hf\)）。 因此，入射光子和去激发产生的光子具有相同的能量，hf。 这些光子在亚稳态下会遇到更多的电子，并且这个过程会重复。 结果是类似的去激反应的级联或连锁反应。 激光是相干的，因为激光光中的所有光波都具有相同的频率（颜色）和相位（沿垂直于运动方向的直线的任意两个点位于波浪的 “同一部分”）。 图中给出了相干和非相干光波模式的示意图\(\PageIndex{2}\)。
激光用于各种应用，例如通信（光纤电话线）、娱乐（激光灯光秀）、医学（切除视网膜中的肿瘤和烧灼血管）和零售（条形码阅读器）。 激光也可以由多种材料制成，包括固体（例如红宝石晶体）、气体（氦气混合物）和液体（有机染料）。 最近，甚至使用明胶制造了激光器，这是一种可食用的激光！ 下面我们将详细讨论两个实际应用：CD 播放器和蓝光播放器。
CD 播放器
CD 播放器读取存储在光盘 (CD) 上的数字信息。 CD 是直径为 6 英寸的塑料光盘，其表面附近有小 “凹陷” 和 “凹坑”，用于对数字或二进制数据进行编码（图\(\PageIndex{3}\)）。 颠簸和凹陷出现在一条非常细的轨道上，该轨道从圆盘中心向外螺旋。 轨道的宽度小于人类头发宽度的1/20，而且颠簸的高度甚至更小。
C D 播放器使用激光读取这些数字信息。 激光适合这种用途，因为相干的光可以聚焦到一个非常小的光点上，从而区分光盘中的凹凸和凹坑。 经过播放器组件（包括衍射光栅、偏振器和准直器）处理后，激光由透镜聚焦到 CD 表面。 撞击颠簸（“陆地”）的光线只会被反射，但击中 “坑” 的光线会造成破坏性干扰，因此没有光线返回（这个过程的细节对本次讨论并不重要）。 反射光被解释为 “1”，未反射的光被解释为 “0”。 由此产生的数字信号被转换为模拟信号，然后将模拟信号馈送到放大器中，该放大器为诸如耳机之类的设备供电。 CD 播放器的激光系统如图所示\(\PageIndex{4}\)。
蓝光播放器
与 CD 播放器一样，蓝光播放器读取存储在光盘上的数字信息（视频或音频），然后使用激光来记录这些信息。 与光盘相比，蓝光光盘上的凹坑要小得多，拼凑得更紧密，因此可以存储的信息要多得多。 因此，激光器的分辨率必须更大。 这是使用短波长 (\(λ=405\,nm\)) 蓝色激光实现的，因此被命名为 “Blu-” Ray。 （CD 和 DVD 使用红色激光。） CD、DVD 和 Blu-ray 播放器的不同坑大小和播放器硬件配置如图所示\(\PageIndex{5}\)。 蓝光光盘的凹坑大小是 DVD 或 CD 上凹坑大小的两倍多。 与光盘不同，蓝光光盘将数据存储在聚碳酸酯层上，这使数据更靠近镜头，避免了可读性问题。 硬质涂层用于保护数据，因为它离表面太近了。
